Двигатель внутреннего сгорания: устройство и принцип работы

Вот уже около ста лет повсюду в мире основным силовым агрегатом на автомобилях и мотоциклах, тракторах и комбайнах, прочей технике является двигатель внутреннего сгорания. Придя в начале двадцатого века на смену двигателям внешнего сгорания (паровым), он и в веке двадцать первом остаётся наиболее экономически эффективным видом мотора. В данной статье мы подробно рассмотрим устройство, принцип работы различных видов ДВС и его основных вспомогательных систем.

Определение и общие особенности работы ДВС

Главная особенность любого двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. В процессе работы химическая и тепловая энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую работу. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, которое образуется в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

В процессе эволюции ДВС выделились следующие, доказавшие свою эффективность, типы данных моторов:

• Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на
• карбюраторные, в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;

Более детально узнать о назначении, устройстве и принципе работы карбюратора, вы можете здесь: Карбюратор: устройство и принцип работы

Технику с прочими видами ДВС можно вносить в Красную книгу. В наше время автомобили с роторно-поршневыми двигателями делает только «Mazda». Опытную серию автомашин с газотурбинным двигателем выпускал «Chrysler», но было это в 60-х годах, и более к этому вопросу никто из автопроизводителей не возвращался. В СССР газотурбинными двигателями оснащались танки «Т-80» и десантные корабли «Зубр», но в дальнейшем решено было отказаться от данного типа моторов. В связи с этим, подробно остановимся на «завоевавших мировое господство» поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Корпус двигателя объединяет в единый организм:

• блок цилиндров, внутри камер сгорания которых воспламеняется топливно-воздушная смесь, а газы от этого сгорания приводят в движение поршни;
• кривошипно-шатунный механизм, который передаёт энергию движения на коленчатый вал;
• газораспределительный механизм, который призван обеспечивать своевременное открытие/закрытие клапанов для впуска/выпуска горючей смеси и отработанных газов;
• система подачи («впрыска») и воспламенения («зажигания») топливно-воздушной смеси;
• система удаления продуктов горения (выхлопных газов).

Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания в разрезе

При пуске двигателя в его цилиндры через впускные клапаны впрыскивается воздушно-топливная смесь и воспламеняется там от искры свечи зажигания. При сгорании и тепловом расширении газов от избыточного давления поршень приходит в движение, передавая механическую работу на вращение коленвала.

Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляется циклически. Данные циклы повторяются с частотой несколько сотен раз в минуту. Это обеспечивает непрерывное поступательное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала.

Принципы работы ДВС

— Принцип работы двухтактного двигателя

Когда происходит запуск двигателя, поршень, увлекаемый поворотом коленчатого вала, приходит в движение. Как только он достигает своей нижней мёртвой точки (НМТ) и переходит к движению вверх, в камеру сгорания цилиндра подаётся топливно-воздушную смесь.

В своём движении вверх поршень сжимает её. В момент достижения поршнем его верхней мёртвой точки (ВМТ) искра от свечи электронного зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь. Моментально расширяясь, пары горящего топлива стремительно толкают поршень обратно к нижней мёртвой точке.

В это время открывается выпускной клапан, через который раскалённые выхлопные газы удаляются из камеры сгорания. Снова пройдя НМТ, поршень возобновляет своё движение к ВМТ. За это время коленчатый вал совершает один оборот.

При новом движении поршня опять открывается канал впуска топливно-воздушной смеси, которая замещает весь объём вышедших отработанных газов, и весь процесс повторяется заново. Ввиду того, что работа поршня в подобных моторах ограничивается двумя тактами, он совершает гораздо меньшее, чем в четырёхтактном двигателе, количество движений за определённую единицу времени. Минимизируются потери на трение. Однако выделяется большая тепловая энергия, и двухтактные двигатели быстрей и сильнее греются.

В двухтактных двигателях поршень заменяет собой клапанный механизм газораспределения, в ходе своего движения в определённые моменты открывая и закрывая рабочие отверстия впуска и выпуска в цилиндре. Худший, по сравнению с четырёхтактным двигателем, газообмен является главным недостатком двухтактной системы ДВС. В момент удаления выхлопных газов теряется определённый процент не только рабочего вещества, но и мощности.

— Принцип работы четырёхтактного двигателя

Данных недостатков лишены четырёхтактные ДВС, которые, в различных вариантах, и устанавливаются на практически все современные автомобили, трактора и прочую технику. В них впуск/ выпуск горючей смеси/выхлопных газов осуществляются в виде отдельных рабочих процессов, а не совмещены со сжатием и расширением, как в двухтактных. При помощи газораспределительного механизма обеспечивается механическая синхронность работы впускных и выпускных клапанов с оборотами коленвала. В четырёхтактном двигателе впрыск топливно-воздушной смеси происходит только после полного удаления отработанных газов и закрытия выпускных клапанов.

Процесс работы двигателя внутреннего сгорания

Каждый такт работы составляет один ход поршня в пределах от верхней до нижней мёртвых точек. При этом двигатель проходит через следующие фазы работы:

• Такт первый, впуск. Поршень совершает движение от верхней к нижней мёртвой точке. В это время внутри цилиндра возникает разряжение, открывается впускной клапан и поступает топливно-воздушная смесь. В завершение впуска давление в полости цилиндра составляет в пределах от 0,07 до 0,095 Мпа; температура — от 80 до 120 градусов Цельсия.
• Такт второй, сжатие. При движении поршня от нижней к верхней мёртвой точке и закрытых впускном и выпускном клапане происходит сжатие горючей смеси в полости цилиндра. Этот процесс сопровождается повышением давления до 1,2—1,7 Мпа, а температуры — до 300-400 градусов Цельсия.
• Такт третий, расширение. Топливно-воздушная смесь воспламеняется. Это сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии. Температура в полости цилиндра резко возрастает до 2,5 тысяч градусов по Цельсию. Под давлением поршень быстро движется к своей нижней мёртвой точке. Показатель давления при этом составляет от 4 до 6 Мпа.
• Такт четвёртый, выпуск. Во время обратного движения поршня к верхней мёртвой точке открывается выпускной клапан, через который выхлопные газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод, а затем и в окружающую среду. Показатели давление в завершающей стадии цикла составляют 0,1-0,12 Мпа; температуры — 600-900 градусов по Цельсию.

Узнать о том, что такое октановое число бензина, о его повышении и понижении, вы можете здесь: Октановое число бензина: что это такое

Вспомогательные системы двигателя внутреннего сгорания

— Система зажигания

Система зажигания является частью электрооборудования машины и предназначена для обеспечения искры, воспламеняющей топливно-воздушную смесь в рабочей камере цилиндра. Составными частями системы зажигания являются:

• Источник питания. Во время запуска двигателя таковым является аккумуляторная батарея, а во время его работы — генератор.
• Включатель, или замок зажигания. Это ранее механическое, а в последние годы всё чаще электрическое контактное устройство для подачи электронапряжения.
• Накопитель энергии. Катушка, или автотрансформатор — узел, предназначенный для накопления и преобразования энергии, достаточной для возникновения нужного разряда между электродами свечи зажигания.
• Распределитель зажигания (трамблёр). Устройство, предназначенное для распределения импульса высокого напряжения по проводам, ведущим к свечам каждого из цилиндров.

Система зажигания ДВС

— Впускная система

Система впуска ДВС предназначена для бесперебойной подачи в мотор атмосферного воздуха, для его смешивания с топливом и приготовления горючей смеси. Следует отметить, что в карбюраторных двигателях прошлого впускная система состоит из воздуховода и воздушного фильтра. И всё. В состав впускной системы современных автомобилей, тракторов и прочей техники входят:

• Воздухозаборник. Представляет собою патрубок удобной для каждого конкретного двигателя формы. Через него атмосферный воздух всасывается внутрь двигателя, посредством разницы в показателях давления в атмосфере и в двигателе, где при движении поршней возникает разрежение.
• Воздушный фильтр. Это расходный материал, предназначенный для очистки поступающего в мотор воздуха от пыли и твёрдых частиц, их задержки на фильтре.
• Дроссельная заслонка. Воздушный клапан, предназначенный для регулирования подачи нужного количества воздуха. Механически она активируется нажатием на педаль газа, а в современной технике — при помощи электроники.
• Впускной коллектор. Распределяет поток воздуха по цилиндрам мотора. Для придания воздушному потоку нужного распределения используются специальные впускные заслонки и вакуумный усилитель.

О назначении и принципе работы турбины на дизельном двигателе, вы можете узнать из нашей статьи: Принцип работы турбины на дизельном двигателе

• Топливный бак — ёмкость для хранения бензина или дизтоплива, с устройством для забора горючего (насосом).
• Топливопроводы — комплекс трубок и шлангов, по которым к двигателю поступает его «пища».
• Устройство смесеобразования, то есть карбюратор или инжектор — специальный механизм для приготовления топливно-воздушной смеси и её впрыска в ДВС.
• Электронный блок управления (ЭБУ) смесеобразованием и впрыском — в инжекторных двигателях это устройство «отвечает» за синхронную и эффективную работу по образованию и подаче горючей смеси в мотор.
• Топливный насос — электрическое устройство для нагнетания бензина или солярки в топливопровод.
• Топливный фильтр — расходный материал для дополнительной очистки топлива в процессе его транспортировки от бака к мотору.

Схема топливной системы ДВС

Узнать, более детально о принципе работы топливной системы дизельного двигателя, вы можете здесь: Устройство топливной системы дизельного двигателя

— Система смазки

Предназначение системы смазки ДВС — уменьшение силы трения и её разрушительного воздействия на детали; отведение части излишнего тепла; удаление продуктов нагара и износа; защита металла от коррозии. Система смазки ДВС включает в себя:

• Поддон картера — резервуар для хранения моторного масла. Уровень масла в поддоне контролируется не только специальным щупом, но и датчиком.
• Масляный насос — качает масло из поддона и подаёт его к нужным деталям двигателя через специальные просверленные каналы-«магистрали». Под действием силы тяжести масло стекает со смазанных деталей вниз, обратно в поддон картера, накапливается там, и цикл смазки повторяется снова.
• Масляный фильтр задерживает и удаляет из моторного масла твёрдые частицы, образующиеся из нагара и продуктов износа деталей. Фильтрующий элемент всегда меняется на новый вместе с каждой заменой моторного масла.
• Масляный радиатор предназначен для охлаждения моторного масла, с помощью жидкости из системы охлаждения двигателя.

— Выхлопная система

Выхлопная система ДВС служит для удаления отработанных газов и уменьшения шумности работы мотора. В современной технике выхлопная система состоит из следующих деталей (по порядку выхода отработанных газов из мотора):

• Выпускной коллектор. Это система труб из жаропрочного чугуна, которая принимает раскалённые отработанные газы, гасит их первичный колебательный процесс и отправляет далее, в приёмную трубу.
• Приёмная труба — изогнутый газоотвод из огнестойкого металла, в народе именуемый «штанами».
• Резонатор, или, говоря народным языком, «банка» глушителя — ёмкость, в которой происходит разделение выхлопных газов и снижение их скорости.
• Катализатор — устройство, предназначенное для очистки выхлопных газов и их нейтрадизации.
• Глушитель — ёмкость с комплексом специальных перегородок, предназначенных для многократного изменения направления движения потока газов и, соответственно, их шумности.

Выхлопная система ДВС

— Система охлаждения

Если на мопедах, мотороллерах и недорогих мотоциклах до сих пор применяется воздушная система охлаждения двигателя — встречным потоком воздуха, то для более мощной техники её, разумеется, недостаточно. Здесь работает жидкостная система охлаждения, предназначенная для забирания излишнего тепла у мотора и снижения тепловых нагрузок на его детали.

• Радиатор системы охлаждения служит для отдачи избыточного тепла в окружающую среду. Он состоит из большого количества изогнутых аллюминиевых трубок, с рёбрами для дополнительной теплоотдачи.
• Вентилятор предназначен для усиления охлаждающего эффекта на радиатор от встречного потока воздуха.
• Водяной насос (помпа) — «гоняет» охлаждающую жидкость по «малому» и «большому» кругам, обеспечивая её циркуляцию через двигатель и радиатор.
• Термостат — специальный клапан, обеспечивающий оптимальную температуру охлаждающей жидкости путём запуска её по «малому кругу», минуя радиатор (при холодном двигателе) и по «большому кругу», через радиатор — при прогретом двигателе.

Слаженная работа данных вспомогательных систем обеспечивает максимальную отдачу от двигателя внутреннего сгорания и его надёжность.

В заключение необходимо отметить, что в обозримом будущем не предвидится появления достойных конкурентов двигателю внутреннего сгорания. Есть все основания утверждать, что в своём современном, усовершенствованном виде, он ещё несколько десятилетий останется господствующим видом мотора во всех отраслях мировой экономики.

Виды автомобильных двигателей

Традиционно тип двигателя автомобиля современного авто, работающего на жидком топливе, дифференцируют по виду потребляемого горючего: бензин или дизель. Кроме простых, однотопливных силовых установок, еще есть версии с ГБО, в ходе работы, переключающиеся между потреблением бензина и сжиженного газа, а также гибридные – где относительно маленький ДВС приводит в действие мощный электрический генератор, вращающий колеса. Кроме привычных нам моторов с рядным, двухрядным (поперечным или продольным), оппозитным, L‐ или V‐образным расположением цилиндров, существуют ДВС вообще без цилиндров, и даже без обычного коленвала. Разберем, что такое тип двигателя, по какому принципу проводится различие и почему часто происходит путаница в типах, классах и названиях.

Типы ДВС

Конструкция автомобильных двигателей внутреннего сгорания, их компоновка, и сами составляющие – диктуются принципом, по которому они извлекают тепловую энергию сжигания топлива и трансформируют ее в крутящий момент, передаваемый трансмиссии. Как уже было сказано, есть два основных типа двигателей: бензиновый и дизельный, работающие по известным многим термодинамическим циклам: Отто, и (как не странно – не Дизеля) — Тринклера‐Сабатэ.

Кроме одноименного горючего, «бензиновый» мотор может работать на сжиженном газе, спирте, высокооктановой смеси спиртов и бензина, смеси бензина и закиси азота. Дизельный двигатель – на менее калорийный, кроме солярки, может работать на рапсовом или даже подсолнечном масле, смеси мазута с керосином, разных продуктах нефтеперегонки, вплоть до сырой нефти (в теории, на современных авто – не применяется).

Классификация ДВС: варианты

Рядный, V-образный, VR-образный, U-образный, поперечный, продольный, роторный, «звезда» и еще с десяток наименований – это не «тип», а конфигурация, компоновка частей поршневого ДВС, относящегося к бензиновым (газовым), или дизельным. Разделение по количеству цилиндров и их расположению часто называют «архитектурой». Сейчас конфигурацией пользуются как основным критерием, потому, что самое массовое применение в мировом автопроме имеют поршневые движки с возвратно‐поступательным принципом работы, включающие привычный набор: цилиндр‐головка‐поршень‐шатун‐коленвал. Исключение — РПД, но о них поговорим отдельно.

Классический V-образный 6-ти цилиндровый (DTM Rennmotor 1996) двигатель Мерседес

Другие критерии, по которым двигатели можно классифицировать:

• Тактность — 2Т, 4Т.
• Способ смесеобразования — карбюраторные, инжекторные, впрысковые.
• Рабочий объем (куб. см).
• Тип ГРМ — клапанный, поршневой, золотниковый.
• Количество клапанов на цилиндр.
• Система охлаждения — воздушное, воздушно‐масляное, жидкостное.
• Наличие и количество распредвалов — одновальный, двухвальный.
• Наличие или отсутствие принудительной подачи воздуха — турбированные или атмосферные.
• Конструкция привода ГРМ — ременной, цепной, штанговый, шестеренчатый.
• Расположение относительно оси движения машины — продольное, или поперечное.

Какой формы будет этот вал – коленчатый (как в большинстве моторов авто), аксиальный, или просто центральный ротор, а также количество, форма, расположение цилиндров, схема системы газораспределения и питания — все это определяется механическим принципом, который человек сконструировавший этот двигатель, взял за основу.

Виды двигателей внутреннего сгорания по принципу работы:

• Возвратно‐поступательные — в которых линейные движения поршня в цилиндре кривошипный механизм трансформирует во вращение коленвала.
• Роторные – где камера сгорания подвижна, и давление сгорающего топлива сразу же придает эксцентриковому валу (ротору) вращательное движение.
• Аксиальные — где, вместо коленвала, нижняя шейка шатунов интегрирована в качающуюся звездообразную шайбу, за счет эксцентрика раскручивающую центральный вал.
• Свободнопоршневые (прототипы) – в которых два оппозитно направленных поршня, с отдельной для каждого камерой сгорания, закреплены на одном штоке. Вращение тут исключено в принципе, и работа составляет только осевое (вправо-влево) перемещение штока, являющегося якорем электрогенератора.

Разновидности двигателей внутреннего сгорания двухтактного и четырехтактного типа

Большинство силовых установок на современных машинах относятся к четырехтактным. Двухтактные можно встретить намного реже. В двухтактниках – рабочий цикл (все 4 фазы – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск) приходится на всего два хода поршня между ВМТ и НМТ (верхней и нижней мертвой точкой), на один оборот коленвала. В четырехтактниках – движение происходит на каждый этап, 4 раза (вниз-вверх, вниз-вверх), 2 оборота «колена».

Схема работы 4‐х тактного двигателя

Двухтактный цикл позволяет сделать двигатель менее оборотистым и в 1,5 раза более мощным, чем такой же по объему четырехтактный, но ценой экономичности (от 15 до 30%) и большей токсичности выхлопа из-за необходимости добавлять масло непосредственно в горючее. В четырехтактном – сгорание смеси происходит более полно, исключая потери части топливной смеси, вылетающей в выпускной тракт, однако, большой процент выдаваемого крутящего момента уходит на компенсацию тепловых и мощностных потерь от вдвое большего количества ходов поршня (и необходимости тормозить-разгонять значимую массу в ЦПГ).

В итоге «экологичность» и экономичность, все же, «победили», и бензиновые двухтактники (к тому же, требовавшие более интенсивного теплоотвода) в массовом производстве силовых установок для легковушек и грузовиков уступили место четырехтактникам. А вот в танкостроении и авиации, где с потерями масла и экономичностью считаться не принято, наоборот – двигатель 2Т типа «прижился» хорошо.

Все знают, что двух и четырехтактными бывают бензиновые моторы, а четырехтактными – дизели, но не все знают, что на самом деле двухтактный дизель тоже существует. Разработанный больше 120 лет назад, он спроектирован по схеме встречного движения двух поршней в одном цилиндре. Их верхушки в ВМТ создают одну общую камеру сгорания, воспламенение смеси – тоже «одно на двоих». Двигаясь в противоположных направлениях, поршни толкают каждый свой коленвал, тем самым компенсируя вибрации друг друга. Интересно, что подобная схема допускает создание как дизельного, так и бензинового мотора: бензиновый вариант такого «оппозита» раньше устанавливался на немецкие самолеты Юнкерс, а сегодня – усовершенствованный вариант двухтактного дизеля применяется в тепловозах серий ТЭ3 и ТЭ10, в танках (движки 5ТДФ и 6ТД), на малых судах.

2‐х тактный 4‐х цилиндровый двигатель ЯАЗ−204

Двигатель с искровым зажиганием (бензиновый, или с ГБО): самый массовый

Чтобы поджечь топливовоздушную смесь (не важно, газ это, или жидкость) эти ДВС генерируют высоковольтный искровой разряд от внешнего электрооборудования. Схематически: ток от генератора через прерыватель идет к каждому цилиндру, повышается на его катушке, пробивает зазор между электродами свечи, поджигает смесь, уходя на массу (корпус). Для питания такой системы горючим применяют простую, но более архаичную и неэкономичную — карбюраторную схему, либо усовершенствованную — инжекторную систему подачи топлива.

Карбюраторный

Топливовоздушная смесь готовится для него в отдельном устройстве, на входе во впускной канал (каждого цилиндра индивидуально, или общего впускного коллектора для нескольких). Упрощенно, карбюратор – это закрытый «стакан» с соломинкой, верхушка которой торчит во впускном тракте, на пути потока, который разрежением «высасывает» бензин из этого стакана. Количество топлива – регулируется величиной отверстия (жиклера) внутри этой «соломинки», а постоянный уровень в «стакане» (поддоне) поддерживается бензонасосом. Общий объем бензовоздушной смеси – регулируется поворотом воздушной заслонки – дросселя (педалью газа).

Карбюраторный двигатель для ВАЗ 2109 и 2108

Инжекторный

Объем поступающего воздуха и качество смеси в инжекторных ДВС регулируется отдельно: за воздух – так же отвечает дроссель, за топливо – «мозги» (ЭБУ), дающие форсунке команду на впрыск.

Соответственно размещению топливных форсунок, инжекторы делятся на три типа:

• Центрального – выходящие соплом во впускной коллектор (устаревший).
• Распределенного — индивидуальная форсунка на каждый впускной клапан.
• Непосредственного — сопло форсунки выходит прямо в камеру сгорания.

В двух последних типах – предварительное одинаковое рабочее давление «форсункам» обеспечивает единая топливная рейка (она же – рампа).

Инжекторный двигатель Лада Гранта

Дизельный двигатель

Система подачи топлива в этих ДВС сходна с распределенным впрыском на инжекторах, только с поправкой на большую, по сравнению с бензиновыми движками, степень сжатия. Ее характеристики для бензинового, в среднем, составляют от 7 до 10 единиц, для дизеля – от 11 до 20 (26 у супертурбо) единиц. Давления порядка 40–50 бар — хватает на то, чтобы разогреть воздух в камере сгорания до 800–900 о С, поэтому впрыскиваемое в этот момент топливо сгорает, даже если оно недостаточно однородно распылено, из-за чего движки, работающие на солярке, по сравнению с другими, выдают процентов на 10–12 больший КПД, и демонстрируют до 40% экономии топлива. Естественно, для реализации таких характеристик нужен значительный запас прочности, поэтому детали ЦПГ и коленвала дизеля всегда будут массивнее, толще, тяжелее, чем у бензинового мотора внутреннего сгорания того же объема и конфигурации.

Дизельный двигатель Мерседес

Газодизельный

Это еще более экономичная (до 60% экономии топлива) версия типового мотора, потребляющего солярку. Правда не в качестве основного топлива, а в качестве инициирующей «запальной» порции, перед впрыском основной — сжиженного природного газа.

Конфигурацией агрегатов — не отличается от дизеля, применяется в тяжелой дорожной, или стационарной технике. Газодизели получаются из простого серийного мотора, путем установки специальной версии ГБО.

Гибридный двигатель: силовая установка автомобилей Hybrid Technology

За исключением редких концептов, вроде свободнопоршневых, это обычные бензиновые движки (дизельные – в этом плане практически не применяются), которые лишены привычной коробки передач и «крутят», в основном, электрогенератор, питающий емкую аккумуляторную батарею. Аккумулятор, в свою очередь, питает большой, тяговый электродвигатель, сообщающий крутящий момент на колеса. В зависимости от нагрузки и уровня заряда батареи, обычный мотор — отключается, либо подключается автоматикой к общей трансмиссии машины, через вариатор.

Гибридный двигатель BMW

Устройство двигателей внутреннего сгорания: какие бывают разновидности и конфигурации

В конструкции современных автомобилей обычно применяются силовые установки с числом цилиндров от двух и больше. При том же объеме, двухцилиндровый мотор выдаст больший крутящий момент, чем одноцилиндровый, а четырехцилиндровый – соответственно, больше, чем двух. Однако «умножать» их количество можно только до какого‐то разумного предела: при всей эффективности, нужно соблюсти компактность, обеспечить цилиндрам равно хорошую смазку, подачу горючего и охлаждение.

В погоне за идеалом, конструкторы «разродились» несколькими схемами взаимной компоновки цилиндропоршневой группы и кривошипно‐шатунного механизма. Самые распространенные виды — рядная и V‐образная схема.

Рядный тип – это когда шатуны нескольких цилиндров (2-3-4-5-6 шт.) смонтированы на одном продольном коленчатом валу, каждый на отдельной «шейке», цилиндры идут в едином блоке, параллельно друг другу. Наиболее популярны 4 и 6‐цилиндровые версии.

Рядный 4‐х цилиндровый двигатель в разрезе

У V-образных движков, цилиндры которых расположены в два ряда, под взаимным углом 60, 90, либо 45 (мотоциклетные) градусов — на одной коренной шейке могут монтироваться по два шатуна одновременно. Самые надежные и сбалансированные — версии V6 и V8.

V‐образный двигатель в разрезе

Оппозитный вариант компоновки бывает двух видов: сходный с V-образным, но с развалом цилиндров 180 градусов и стыковкой шатунов на единой шейке, с последовательным поочередным выходом в ВМТ. Либо – с индивидуальными «коленами» для каждого из них, находящихся в противофазе: одновременно выходящих на ВМТ.

Оппозитный двигатель в разрезе

U-образный тип компоновки подразумевает параллельное «сращивание» двух рядных моторов со взаимно независимыми кривошипными механизмами, вращающимися в противоположном направлении и рядами блоков. Преимущества – те же, что у «рядников», плюс компенсация инерционных вибраций.

U‐образный двигатель Бугатти

VR двигатель – очень старый (20 годов ХХ века) вариант V-образной компоновки с единым «коленом» и развалом цилиндров менее 20 градусов. Рядно‐смещенная схема позволяет сделать ДВС очень компактным при большой кубатуре.

VR двигатель в разрезе

W-двигатель – наиболее монструозный вариант с тремя, или четырьмя рядами цилиндров, взаимно «разваленных» под углом от 50 до 30 градусов, шатуны которых посажены на единый коленвал. Преимущественно 12‐цилиндровый, формой напоминающий одноименную букву, движок выдавал бешеный крутящий момент. Применялся в основном на спорткарах.

W‐образный двигатель в разрезе

Нестандартные виды двигателей автомобилей и их отличия от привычных нам ДВС

Не укладывающиеся в привычные нам рамки автомобильных моторов, но, тем не менее, успешно реализованные в серийном или мелкосерийном производстве: роторно-поршневые (они же РПД, RCV, или Двигатель Ванкеля) имеют равное число серьезных недостатков и достоинств, перекрывающих их в глазах преданных фанатов.

Все японские автомобильные концерны имеют лицензию на производство РПД еще с 50-х годов прошлого века, но только одному удалось довести до «серии» этот прожорливый, перегревающийся, неремонтопригодный движок с крайне малым ресурсом (от 30 до 150 т. км пробега). Кроме Мазды, в 70–80 годы такой тип мотора применялся в отдельных моделях Ситроенов, Шевроле, Мерседесов, и даже некоторых ВАЗах (спецтранспорт для ГАИ и милиции).

Роторно‐поршневой двигатель Мазда

Принцип работы РПД похож на вращение якоря в обмотке электродвигателя, с той разницей, что большой треугольный эксцентрик его «ротора» внутри корпуса «статора» «толкает» не ток, а энергия теплового расширения сгорающей бензо‐масло‐воздушной смеси. Каждая плоскость ротора имеет углубление, служащее камерой сгорания, каждый торец — снабжен уплотнением, работающим как поршневое кольцо. Захватив порцию смеси, они последовательно продвигают ее по кругу, за один оборот проходя все 4 такта рабочего цикла.

Принцип настолько же прост, насколько эффективен: мощность, выдаваемая одним (нетурбированным!) блоком объемом 1.3 л достигала 230–250 л с. При необходимости, блоки можно набирать последовательно насаживая на единый вал, и получая соответствующий прирост мощности. Роторно-поршневой двигатель лишен вибраций, фантастически компактен, имеет высокий КПД, поэтому, несмотря на склонность к перегреву, сложность в изготовлении и малый ресурс, все еще совершенствуется. Японским конструкторам удалось подвести «токсичность» Rotary Engine к нормам Евро-4, а впереди – планы по переводу его на «чистое» топливо — водород.

Двигатель внутреннего сгорания

Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую энергию.

Несмотря на то, что двигатель внутреннего сгорания относится к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и так далее), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, — например, на транспорте.

Содержание

История создания

В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля, однако светильный газ годился не только для освещения.

В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения, стремительно расширяясь, оказывали сильное давление на окружающую среду — таким образом, оставалось только найти способ использования выделившейся энергии. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Затем газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, так и не успев воплотить в жизнь своё изобретение.

В последующие годы изобретатели из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной.

Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи. Решив возникшие по ходу проблемы (тугой ход и перегрев поршня, ведущий к заклиниванию) продумав систему охлаждения и смазки двигателя, Ленуар создал работоспособный двигатель внутреннего сгорания. В 1864 году было выпущено более трёхсот таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над дальнейшим усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто и получившим патент на изобретение своей модели газового двигателя в 1864 году.

В 1864 году немецкий изобретатель Августо Отто заключил договор с богатым инженером Лангеном для реализации своего изобретения — была создана фирма «Отто и Компания». Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. Цилиндр двигателя Отто, в отличие от двигателя Ленуара, был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Принцип действия: вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разреженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разрежение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15 %, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени. Кроме того, двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Несмотря на это, Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре была применена кривошипно-шатунная передача. Однако самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто получил патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.

Типы двигателей внутреннего сгорания

 — камера сгорания содержится в цилиндре, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.

а) По назначению — делятся на транспортные, стационарные и специальные.

б) По роду применяемого топлива — легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).

в) По способу образования горючей смеси — внешнее (карбюратор, инжектор) и внутреннее (в цилиндре ДВС).

г) По способу воспламенения (с принудительным зажиганием, с воспламенением от сжатия, калоризаторные).

д) По расположению цилиндров разделяют рядные, вертикальные, оппозитные с одним и с двумя коленвалами, V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, VR-образные и W-образные, однорядные и двухрядные звездообразные, Н-образные, двухрядные с параллельными коленвалами, «двойной веер», ромбовидные, трехлучевые и некоторые другие.

Бензиновые

Бензиновые карбюраторные

Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — гомогенность.

Бензиновые инжекторные

Также, существует способ смесеобразования путём впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). Существуют системы одноточечного и распределённого впрыска различных механических и электронных систем. В механических системах впрыска дозация топлива осуществляется плунжерно — рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных системах смесеобразование осуществляется под управлением электронного блока управления (ЭБУ), управляющим электрическими бензиновыми вентилями.

Дизельные, с воспламенением от сжатия

Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. В разогретый от сжатия воздух (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. В процессе впрыскивания топлива происходит его распыливание, а затем вокруг отдельных капель топлива возникают очаги сгорания. Т. к. дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия (до 26), что благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 50% в случае с крупными судовыми двигателями.

Дизельные двигатели являются менее быстроходными и характеризуются большим крутящим моментом на валу. Дизельное топливо является более дешевым, нежели бензин. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжелых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счет пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо в случае с инверторными генераторными установками, от присоединенной электромашины, которая при обычной эксплуатации выполняет роль генератора.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера-Сабатэ со смешанным подводом теплоты.

Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряженностью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Газовые

Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:

• смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
• сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.  — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твёрдого топлива используются:

Газодизельные

Основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю.

Роторно-поршневой

Предложен изобретателем Ванкелем в начале ХХ века. Основа двигателя — треугольный ротор (поршень), вращающийся в камере особой 8-образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. За один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗом в СССР (ВАЗ-21018 «Жигули», ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526), в настоящее время строится только Маздой (Mazda RX-8). При своей принципиальной простоте имеет ряд существенных конструктивных сложностей, делающих его широкое внедрение весьма затруднительным. Основные трудности связаны с созданием долговечных работоспособных уплотнений между ротором и камерой и с построением системы смазки.

В Германии в конце 70х годов ХХ века существовал анекдот: «Продам НСУ, дам в придачу два колеса, фару и 18 запасных моторов в хорошем состоянии».

 — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

•  — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой и лопаточной машин (турбина, компрессор), в котором обе машины в соотносимой мере участвуют в осуществлении рабочего процесса. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув). Большой вклад в теорию комбинированных двигателей внес советский инженер, профессор А. Н. Шелест.

Циклы работы поршневых ДВС

Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырёхтактные.

Рабочий цикл четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания занимает два полных оборота кривошипа, состоящий из четырёх отдельных тактов:

1. впуска,
2. сжатия заряда,
3. рабочего хода и
4. выпуска (выхлопа).

Изменение рабочих тактов обеспечивается специальным газораспределительным механизмом, чаще всего он представлен одним или двумя распределительными валами, системой толкателей и клапанами, непосредственно обеспечивающими смену фазы. Некоторые двигатели внутреннего сгорания использовали для этой цели золотниковые гильзы (Рикардо), имеющие впускные и/или выхлопные окна. Сообщение полости цилиндра с коллекторами в этом случае обеспечивалось радиальным и вращательным движениями золотниковой гильзы, окнами открывающей нужный канал. Ввиду особенностей газодинамики — инерционности газов, времени возникновения газового ветра такты впуска, рабочего хода и выпуска в реальном четырёхтактном цикле перекрываются, это называется перекрытием фаз газораспределения. Чем выше рабочие обороты двигателя, тем больше перекрытие фаз и чем оно больше, тем меньше крутящий момент двигателя внутреннего сгорания на низких оборотах. Поэтому в современных двигателях внутреннего сгорания всё шире используются устройства, позволяющие изменять фазы газораспределения в процессе работы. Особенно пригодны для этой цели двигатели с электромагнитным управлением клапанами (BMW, Mazda). Имеются также двигатели с переменной степенью сжатия (СААБ), обладающие большей гибкостью характеристики.

Двухтактные двигатели имеют множество вариантов компоновки и большое разнообразие конструктивных систем. Основной принцип любого двухтактного двигателя — исполнение поршнем функций элемента газораспределения. Рабочий цикл складывается, строго говоря, из трёх тактов: рабочего хода, длящегося от верхней мёртвой точки (ВМТ) до 20—30 градусов до нижней мёртвой точки (НМТ), продувки, фактически совмещающей впуск и выхлоп, и сжатия, длящегося от 20—30 градусов после НМТ до ВМТ. Продувка, с точки зрения газодинамики, слабое звено двухтактного цикла. С одной стороны, невозможно обеспечить полное разделение свежего заряда и выхлопных газов, поэтому неизбежны либо потери свежей смеси, буквально вылетающей в выхлопную трубу (если двигатель внутреннего сгорания — дизель, речь идёт о потере воздуха), с другой стороны, рабочий ход длится не половину оборота, а меньше, что само по себе снижает КПД. В то же время длительность чрезвычайно важного процесса газообмена, в четырёхтактном двигателе занимающего половину рабочего цикла, не может быть увеличена. Двухтактные двигатели могут вообще не иметь системы газораспределения. Однако, если речь не идёт об упрощённых дешёвых двигателях, двухтактный двигатель сложнее и дороже за счёт обязательного применения воздуходувки или системы наддува, повышенная теплонапряжённость ЦПГ требует более дорогих материалов для поршней, колец, втулок цилиндров. Исполнение поршнем функций элемента газораспределения обязывает иметь его высоту не менее ход поршня + высота продувочных окон, что некритично в мопеде, но существенно утяжеляет поршень уже при относительно небольших мощностях. Когда же мощность измеряется сотнями лошадиных сил, увеличение массы поршня становится очень серьёзным фактором. Введение распределительных гильз с вертикальным ходом в двигателях Рикардо было попыткой сделать возможным уменьшение габаритов и массы поршня. Система оказалась сложной и дорогой в исполнении, кроме авиации, такие двигатели нигде больше не использовались. Выхлопные клапаны (при прямоточной клапанной продувке) имеют вдвое большую теплонапряжённость в сравнении с выхлопными клапанами четырёхтактных двигателей и худшие условия для теплоотвода, а их сёдла имеют более длительный прямой контакт с выхлопными газами.

Самой простой с точки зрения порядка работы и самой сложной с точки зрения конструкции является система Фербенкс — Морзе, представленная в СССР и в России, в основном, тепловозными дизелями серий Д100. Такой двигатель представляет собой симметричную двухвальную систему с расходящимися поршнями, каждый из которых связан со своим коленвалом. Таким образом, этот двигатель имеет два коленвала, механически синхронизированные; тот, который связан с выхлопными поршнями, опережает впускной на 20—30 градусов. За счёт этого опережения улучшается качество продувки, которая в этом случае является прямоточной, и улучшается наполнение цилиндра, так как в конце продувки выхлопные окна уже закрыты. В 30х — 40х годах ХХ века были предложены схемы с парами расходящихся поршней — ромбовидная, треугольная; существовали авиационные дизели с тремя звездообразно расходящимися поршнями, из которых два были впускными и один — выхлопным. В 20-х годах Юнкерс предложил одновальную систему с длинными шатунами, связанными с пальцами верхних поршней специальными коромыслами; верхний поршень передавал усилия на коленвал парой длинных шатунов, и на один цилиндр приходилось три колена вала. На коромыслах стояли также квадратные поршни продувочных полостей. Двухтактные двигатели с расходящимися поршнями любой системы имеют, в основном, два недостатка: во-первых, они весьма сложны и габаритны, во-вторых, выхлопные поршни и гильзы в зоне выхлопных окон имеют значительную температурную напряжённость и склонность к перегреву. Кольца выхлопных поршней также являются термически нагруженными, склонны к закоксовыванию и потере упругости. Эти особенности делают конструктивное исполнение таких двигателей нетривиальной задачей.

Двигатели с прямоточной клапанной продувкой оснащены распределительным валом и выхлопными клапанами. Это значительно снижает требования к материалам и исполнению ЦПГ. Впуск осуществляется через окна в гильзе цилиндра, открываемые поршнем. Именно так компонуется большинство современных двухтактных дизелей. Зона окон и гильза в нижней части во многих случаях охлаждаются наддувочным воздухом.

В случаях, когда одним из основных требований к двигателю является его удешевление, используются разные виды кривошипно-камерной контурной оконно-оконной продувки — петлевая, возвратно-петлевая (дефлекторная) в разнообразных модификациях. Для улучшения параметров двигателя применяются разнообразные конструктивные приёмы — изменяемая длина впускного и выхлопного каналов, может варьироваться количество и расположение перепускных каналов, используются золотники, вращающиеся отсекатели газов, гильзы и шторки, изменяющие высоту окон (и, соответственно, моменты начала впуска и выхлопа). Большинство таких двигателей имеет воздушное пассивное охлаждение. Их недостатки — относительно невысокое качество газообмена и потери горючей смеси при продувке, при наличии нескольких цилиндров секции кривошипных камер приходится разделять и герметизировать, усложняется и удорожается конструкция коленвала.

Дополнительные агрегаты, требующиеся для ДВС

Недостатком двигателя внутреннего сгорания является то, что он развивает наивысшую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемым атрибутом двигателя внутреннего сгорания является трансмиссия. Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии. Постепенно завоёвывает мир идея гибридного автомобиля, в котором мотор всегда работает в оптимальном режиме.

Кроме того, двигателю внутреннего сгорания необходимы система питания (для подачи топлива и воздуха — приготовления топливо-воздушной смеси), выхлопная система (для отвода выхлопных газов), также не обойтись без системы смазки(предназначена для уменьшения сил трения в механизмах двигателя, защиты деталей двигателя от коррозии, а также совместно с системой охлаждения для поддержания оптимального теплового режима), системы охлаждения(для поддержания оптимального теплового режима двигателя), система запуска (применяются способы запуска: электростартерный, с помощью вспомогательного пускового двигателя, пневматический, с помощью мускульной силы человека), система зажигания (для воспламениня топливо-воздушной смеси, применяется у двигателей с принудительным воспламенением).

Источник https://tractorreview.ru/dvigateli/ustroystvo/dvigatel-vnutrennego-sgoraniya-ustroystvo-i-printsip-rabotyi.html

Источник https://ddcar.ru/blog/remont/vse-o-dvigatelyah-avtomobilya

Источник https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/5132

Источник